CN115224587A - 量子级联激光器有源区单元、有源区、外延结构及芯片 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种具有斜跃迁性质的量子级联激光器的有源区单元，所述有源区单元从上往下依次包括：注入区，用于提供注入能态；增益区，用于提供发光上能态和发光下能态，其中，所述发光上能态大于所述发光下能态，所述发光上能态到所述发光下能态的辐射跃迁为斜跃迁，所述注入能态大于所述发光上能态；以及弛豫区，用于提供弛豫能态，所述弛豫能态包括顶部能态和底部能态，其中，所述顶部能态小于所述发光下能态；其中，所述注入区、增益区和弛豫区均采用

半导体材料。本公开还提供了一种量子级联激光器的有源区、外延结构及芯片。

Description

量子级联激光器有源区单元、有源区、外延结构及芯片

技术领域

本公开涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种量子级联激光器有源区单元、有源区、外延结构及芯片。

背景技术

量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)是目前小型化高性能的红外激光光源，广泛用于环境监测、工业过程控制等领域，目前基于InP基InGaAs/InAlAs材料体系QCL已经能够实现3-12微米波段室温连续波工作。

但是，当激光器波长需要拓展到12微米以上或者3微米以下波段时，由于内部的损耗明显高于3～12微米波段，成熟的InP基InGaAs/InAlAs材料体系的有源区增益不足以补偿损耗，无法实现室温连续波工作，需要设计高增益的有源区以克服上述缺点。

发明内容

有鉴于此，本公开的实施例提供了一种量子级联激光器有源区单元、有源区、外延结构及芯片。

根据本公开的第一方面，提供了一种具有斜跃迁性质的量子级联激光器的有源区单元，所述有源区单元从上往下依次包括：注入区，用于提供注入能态；增益区，用于提供发光上能态和发光下能态，其中，所述发光上能态大于所述发光下能态，所述发光上能态到所述发光下能态的辐射跃迁为斜跃迁，所述注入能态大于所述发光上能态；以及弛豫区，用于提供弛豫能态，所述弛豫能态包括顶部能态和底部能态，其中，所述顶部能态小于所述发光下能态；其中，所述注入区、增益区和弛豫区均采用

半导体材料。

根据本公开的实施例，所述

半导体材料选自InAs、InSb、GaSb、AlSb、InAsSb中的至少一种，或者InAs、InSb、GaSb、AlSb、InAsSb中至少两种形成的合金中的至少一种。

根据本公开的实施例，所述注入能态与所述发光上能态的能量差为5-7meV。

根据本公开的实施例，所述注入能态与所述发光上能态的能量差等于一个光学声子能量。

根据本公开的实施例，所述弛豫能态包括微带能态或局域能态。

根据本公开的实施例，所述发光下能态与所述顶部能态的能量差为0-5meV。

根据本公开的实施例，所述发光下能态与所述顶部能态的能量差等于一个光学声子能量。

根据本公开的第二方面，提供了一种量子级联激光器的有源区，所述有源区包括多个串联的如上述任一项所述的有源区单元，其中，所述串联的有源区单元中，上一个有源区单元弛豫区的底部能态大于下一个有源区单元增益区的发光上能态。

根据本公开的实施例，所述有源区中有源区单元的数目大于等于10。

根据本公开的第三方面，提供了一种量子级联激光器的外延结构，所述外延结构包括：在衬底上依次生长的下包层、下超晶格波导层、下隔离层、上述任一项所述的有源区、上隔离层、上超晶格波导层和上包层，其中，所述有源区采用

半导体材料。

根据本公开的实施例，所述衬底采用与所述有源区材料晶格匹配的材料，选自InAs、GaSb、InSb中的一种。

根据本公开的实施例，所述下包层和所述上包层采用与所述衬底材料晶格匹配的材料，包括二元、三元、四元化合物的半导体材料，以及窄带隙量子阱与宽带隙势垒形成的超晶格材料。

根据本公开的实施例，所述下包层和所述上包层的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3。

根据本公开的实施例，所述下包层的厚度为100nm～4000nm，所述上包层的厚度为100nm～4000nm。

根据本公开的实施例，所述下超晶格波导层和所述上超晶格波导层采用的材料为应变超晶格材料。

根据本公开的实施例，所述下超晶格波导层和所述上超晶格波导层的折射率小于所述有源区。

根据本公开的实施例，所述下隔离层和所述上隔离层采用与所述衬底材料晶格匹配的材料。

根据本公开的实施例，所述下隔离层和所述上隔离层的折射率大于所述有源区。

根据本公开的实施例，所述下隔离层的厚度为100nm～4000nm，所述上隔离层的厚度为100nm～4000nm。

根据本公开的第四方面，提供了一种量子级联激光器芯片，所述芯片包括：上述任一项所述的量子级联激光器的外延结构，其中，所述外延结构的有源区、上隔离层、上超晶格波导层和上包层形成脊型波导结构；背电极，形成于所述外延结构的衬底远离下包层的背面；介质绝缘层，形成于所述脊型波导结构的侧壁；以及表面电极，形成于所述外延结构的上包层远离上超晶格波导层的表面。

根据本公开的实施例，所述脊型波导结构的宽度为5μm～50μm。

根据本公开的实施例，所述介质绝缘层的厚度为50nm～1000nm。

根据本公开的实施例，所述介质绝缘层采用的材料是选自SiO₂、Si₃N₄、Si₃N₄/SiO₂中的一种。

根据本公开的实施例，所述表面电极采用的材料是选自Au、Ti/Au、Ti/Pt/Au中的一种。

从上述技术方案可以看出，本公开提供的量子级联激光器有源区单元、有源区、外延结构及芯片的有益效果如下：

1.本公开提供的具有斜跃迁性质的量子级联激光器的有源区单元，采用

半导体材料和斜跃迁的结构，显著提高了发光上能态寿命，从而提高了有源区的增益，实现了高增益的有源区。

2.本公开提供的具有斜跃迁性质的量子级联激光器的有源区，是由采用

半导体材料和斜跃迁的结构的有源区单元串联得到的，提高了有源区的增益，降低了有源区的损耗。

3.本公开提供的具有斜跃迁性质的量子级联激光器的外延结构，通过高效率的有源区设计，可有效降低波导损耗，提高发光上能态寿命。

4.本公开提供的具有斜跃迁性质的量子级联激光器的芯片，采用

半导体材料和斜跃迁的结构，显著提高了发光上能态寿命，从而提高激光器的动态范围和输出功率。

附图说明

通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1(a)示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器有源区单元的局部导带能带垂直跃迁的示意图；

图1(b)示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器有源区单元的局部导带能带斜跃迁的示意图；

图2示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器有源区单元在施加电场时的导带能带图；

图3示意性示出了本公开又一实施例的量子级联激光器有源区单元在施加电场时的导带能带图；

图4示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器有源区单元的叠层构成示意图；

图5示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器外延结构示意图；

图6示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器外延结构的高分辨X-射线衍射谱；

图7示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器外延结构表面的原子力显微镜形貌；

图8示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器芯片在不同注入电流下的激射谱。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。

量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)基于子带间跃迁，其增益g与有源区材料的有效质量m*满足如下关系：g∝(m*)^-3/2，即有效质量越小，材料增益越高，因此可考虑采用新的有效质量小的

半导体材料体系取代InGaAs/InAlAs材料体系，可以将增益提高2倍以上，但是该新材料体系的外延生长难度明显高于成熟的InP基材料体系，同时缺乏高效率的有源区设计，因此基于

半导体材料体系的量子级联激光器至今没有实现室温连续波大功率激射。

本公开实施例提供了一种具有斜跃迁性质的量子级联激光器的有源区单元，所述有源区单元从上往下依次包括：注入区、增益区和弛豫区。

注入区，用于提供注入能态，所述注入能态的波函数与增益区发光上能态的波函数可选地具有强耦合的特征。

增益区，用于提供发光上能态和发光下能态，其中，所述发光上能态大于所述发光下能态，所述发光上能态到所述发光下能态的辐射跃迁为斜跃迁，所述注入能态大于所述发光上能态，所述发光上能态和发光下能态的能量差决定了激光器的波长，所述发光上能态和发光下能态的能量差由提供发光上能态和发光下能态的量子阱和势垒的厚度以及势垒的组分决定，提供发光上能态的量子阱和提供发光下能态的量子阱之间设置至少一个势垒，可选地设置2个势垒，可选地设置3个势垒，使得电子从发光上能态到发光下能态的辐射跃迁具有斜跃迁的性质，所述斜跃迁的性质使得发光上能态的寿命至少大于0.5ps，可选地发光上能态的寿命大于1ps。

弛豫区，用于提供弛豫能态，所述弛豫能态包括顶部能态和底部能态，其中，所述顶部能态小于所述发光下能态；其中，所述注入区、增益区和弛豫区均采用

半导体材料。所述

半导体材料体系指晶格常数在

附近的半导体材料。

根据本公开的实施例，所述

半导体材料选自InAs、InSb、GaSb、AlSb、InAsSb中的至少一种，或者InAs、InSb、GaSb、AlSb、InAsSb中至少两种形成的合金中的至少一种。

根据本公开的实施例，所述注入能态与所述发光上能态的能量差为5-7meV，可选地，所述能量差为6meV，有利于实现共振隧穿注入。

根据本公开的实施例，所述注入能态与所述发光上能态的能量差等于一个光学声子能量，有利于实现声子协助的注入。

根据本公开的实施例，所述弛豫能态包括微带能态或局域能态。

根据本公开的实施例，所述发光下能态与所述顶部能态的能量差为0-5meV，有利于发光下能态的电子通过共振隧穿的方式弛豫。可选地，所述能量差可以是2meV或3meV。

根据本公开的实施例，所述发光下能态与所述顶部能态的能量差等于一个光学声子能量，有利于发光下能态的电子通过声子协助散射的方式弛豫。

示例性的，当弛豫能态由电场下形成的微带构成时，所述微带顶部的能态位于所述发光下能态的下方；所述微带顶部的能态与发光下能态的能量差不小于零；所述微带底部的能态与下一个有源区单元的发光上能态的能量差不小于零，可以较小，以便通过共振隧穿或电子散射快速弛豫。

示例性的，当弛豫能态由电场下形成的一系列局域能态构成时，所述一系列局域能态之间的能量差可选地为一个光学声子的能量；所述一系列局域能态的最高能态位于所述发光下能态的下方；所述一系列局域能态的最高能态与发光下能态的能量差不小于零；所述一系列局域能态的最低能态与下一个有源区单元的发光上能态的能量差不小于零，可以较小，以便通过共振隧穿或电子散射快速弛豫。

本公开实施例提供的具有斜跃迁性质的量子级联激光器的有源区单元，采用

半导体材料和斜跃迁的结构，显著提高了发光上能态寿命，从而提高了有源区的增益。

图1(a)示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器有源区单元的局部导带能带垂直跃迁的示意图。图1(b)示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器有源区单元的局部导带能带斜跃迁的示意图。

如图1(a)所示，现有技术的垂直跃迁，其中发光上能态和发光下能态来自同一组量子阱中，电子辐射跃迁在空间上是垂直的，如图中垂直箭头所示。

如图1(b)所示，本公开实施例的斜跃迁，提供发光上能态的量子阱与提供发光下能态的量子阱在空间上是分离的，电子辐射跃迁在空间上是斜的，如图中斜箭头所示。

本公开实施例的斜跃迁能带和现有技术垂直跃迁能带中，斜跃迁能带的上能态寿命为1.6ps，是垂直跃迁上能态寿命的3.3倍，根据已知的半导体激光器理论，上能态寿命长，意味着实现粒子数反转进而激射不需要很高的注入区电子浓度，较低的注入区电子浓度的优势是有源区中自由载流子吸收造成的损耗较小，有利于降低激光器阈值，提高激光器的输出功率。

图2示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器有源区单元在施加电场时的导带能带图。

如图2所示，导带能带图包括增益区100，注入区200和弛豫区300。增益区100包括发光上能态101和发光下能态102；所述发光上能态101的能量大于所述发光下能态102的能量；所述发光上能态101和所述发光下能态102的能量差等于量子级联激光器的发射光子的能量，即决定了激光器的激射波长；所述发光上能态101和所述发光下能态102的能量差因量子阱层的厚度、势垒层的厚度和势垒材料的组分等而变化，因此，QCL的发光波长因阱层的厚度、势垒层的厚度、势垒层材料的组分等而变化。能带图中电子波函数和能态的位置是通过模拟求出的。所述发光上能态101的电子寿命为t1，所述发光下能态102的电子寿命为t2，根据本公开实施例，t1＞t2；所述发光上能态101的波函数的最大值位于量子阱U中，所述发光下能态102的波函数的最大值位于量子阱L中，所述量子阱U和量子阱L之间设置两个势垒B1和B2，使得发光上能态101到发光下能态102的辐射跃迁为斜跃迁。

注入区200包括简并的注入能态201；所述注入能态201的能量大于所述发光上能态101；所述注入能态201与所述发光上能态101的能量差约为一个光学声子的能量，为30～35meV，可选地，所述能量差为32meV或33meV。

弛豫区300包括一系列能态，在外加电场下形成微带，其中微带顶部301位于发光下能态102下方，微带顶部301与发光下能态102的能量差约为一个光学声子的能量，为30～35meV，可选地，所述能量差为32meV或33meV；所述微带底部302位于下一个有源区单元的注入能态201的上方，微带底部302与下一个有源区单元的注入能态201的能量差为5-10meV，可选地，所述能量差为7meV或8meV。位于注入能态201上方且距离最近的能态401有可能成为注入态电子的泄露能态，根据本发明公开的实施例，能态401与注入能态201的能量差大于光子声子能量，能态401与注入能态201的能量差为40～80meV，可选地，所述能量差为55meV或60meV。

图3示意性示出了本公开又一实施例的量子级联激光器有源区单元在施加电场时的导带能带图。

如图3所示，导带能带图包括增益区100，注入区200和弛豫区300。所述增益区100包括发光上能态101和发光下能态102；所述发光上能态101的能量大于所述发光下能态102的能量；所述发光上能态101和所述发光下能态102的能量差距等于量子级联激光器的发射光子的能量，即决定了激光器的激射波长；所述发光上能态101和所述发光下能态102的能量差因阱层的厚度、势垒层的厚度等而变化，因此，量子级联激光器的发光波长因阱层的厚度、势垒层的厚度等而变化。能带图中电子波函数和能态的位置是通过模拟求出的。所述发光上能态101的电子寿命为t1，所述发光下能态102的电子寿命为t2，根据本公开实施例，t1＞t2；所述发光上能态101的波函数的最大值位于量子阱U中，所述发光下能态102的波函数的最大值位于量子阱Ll和L2中，所述量子阱U和量子阱L1之间设置两个势垒B1和B2，使得发光上能态101到发光下能态102的辐射跃迁为斜跃迁。

注入区200包括注入能态201；所述注入能态201的能量大于所述发光上能态101；所述注入能态201与所述发光上能态101的能量差为5-10meV。

弛豫区300包括一系列能态，在外加电场下形成微带，其中微带顶部301位于发光下能态102下方，微带顶部301与发光下能态102的能量差约为一个光学声子的能量，为30～35meV；所述微带底部302位于下一个有源区单元的注入能态201的上方。位于注入能态201上方且距离最近的能态401有可能成为注入态电子的泄露能态，根据本公开的实施例，能态401与注入能态201的能量差大于光子声子能量，为40～80meV。

图4示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器有源区单元的叠层构成示意图。

如图4所示，是量子级联激光器一个有源区单元的叠层构成，其中InAs层构成量子阱层，AlSb层构成势垒层；量子级联激光器的有源区由N个所述有源区单元叠加构成，一般情况下N大于等于10。可选的，N大于等于10，小于等于100，可选地，N等于80或90。

本实施例中，从上向下第一个2.1nm的AlSb层为注入势垒；与其相邻的4个未掺杂的InAs量子阱形成提供子带间斜跃迁的发光区；发光区下方3个掺杂的InAs量子阱和位于下方两个未掺杂的InAs量子阱形成弛豫区，同时也是下一个有源区单元的电子注入区，其电子能态与下一个有源区单元的发光上能态形成强耦合。

在另一个实施例中，发光区由3个或5个未掺杂的量子阱形成，与上一个有源区单元的电子注入能态形成强耦合；在另一个实施例中，势垒可选的由AlAs_xSb_1-x构成，As的比例x使得整个外延结构中量子阱层和势垒层的总应变小于临界应变值。

在另一个实施例中，量子阱可选的由InAs_xSb_1-x构成，As的比例x使得整个外延结构中量子阱层和势垒层的总应变小于临界应变值。

在另一个实施例中，量子阱可选的由In_1-yGa_ySb构成，Ga的比例y使得整个外延结构中量子阱层和势垒层的总应变小于临界应变值。

在另一个实施例中，量子阱可选的由In_1-yGa_yAs_xSb_1-x，Ga的比例y和As的比例x使得整个外延结构中量子阱层和势垒层的总应变小于临界应变值。

本公开的实施例提供了一种量子级联激光器的有源区，所述有源区包括多个串联的如上述任一项所述的有源区单元，其中，所述串联的有源区单元中，上一个有源区单元弛豫区的底部能态大于下一个有源区单元增益区的发光上能态。示例性的，上一个有源区单元弛豫区同时也是下一个有源区单元的电子注入区。

根据本公开的实施例，所述有源区中有源区单元的数目大于等于10。

本公开实施例提供的具有斜跃迁性质的量子级联激光器的有源区，将采用

半导体材料和斜跃迁的结构的有源区单元进行串联得到，增益区中发光量子阱的子带间跃迁采用斜跃迁方式，提供长的发光上能态寿命，有利于实现粒子数反转，降低注入区电子浓度，提高了有源区的增益，降低了有源区的损耗。

本公开的实施例提供了一种量子级联激光器的外延结构，所述外延结构包括：在衬底上依次生长的下包层、下超晶格波导层、下隔离层、上述任一项所述的有源区、上隔离层、上超晶格波导层和上包层，其中，所述有源区采用

半导体材料。其中，有源区由N个所述具有斜跃迁性质的量子级联激光器有源区单元串联构成，N＝10～100。所述下超晶格波导层和所述上超晶格波导层的总应变小于临界应变值。

根据本公开的实施例，所述衬底采用与所述有源区材料晶格匹配的材料，例如，室温Γ点有效质量小于0.03m₀，其中m₀为自由电子的质量，示例性的，选自InAs、GaSb、InSb中的一种。

根据本公开的实施例，所述下包层和所述上包层采用与所述衬底材料晶格匹配的材料，包括二元、三元、四元化合物的半导体材料，以及窄带隙量子阱与宽带隙势垒形成的超晶格材料。所述上隔离层、下隔离层采用与衬底材料晶格匹配的二元、三元或四元半导体材料。

根据本公开的实施例，所述下包层和所述上包层的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3。可选地，所述下包层和上包层的掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3。

根据本公开的实施例，所述下包层的厚度为100nm～4000nm，所述上包层的厚度为100nm～4000nm。可选地，所述下包层和上包层的厚度均为2000nm或均为3000nm。

根据本公开的实施例，所述下超晶格波导层和所述上超晶格波导层采用的材料为应变超晶格材料。

根据本公开的实施例，所述下超晶格波导层和所述上超晶格波导层的折射率小于所述有源区。

根据本公开的实施例，所述下隔离层和所述上隔离层采用与所述衬底材料晶格匹配的材料。

根据本公开的实施例，所述下隔离层和所述上隔离层的折射率大于所述有源区。

根据本公开的实施例，所述下隔离层的厚度为100nm～4000nm，所述上隔离层的厚度为100nm～4000nm。可选地，所述下隔离层和上隔离层的厚度均为2000nm或均为3000nm。

根据本公开的实施例，所述上包层和下包层的折射率小于或等于所述上超晶格波导层和下超晶格波导层的折射率。

根据本公开的实施例，所述上包层和下包层中进行较重掺杂，上下间隔层与超晶格层进行较轻掺杂。

根据本公开的实施例，所述上超晶格波导层和下超晶格波导层为应变超晶格材料，所述应变超晶格的总应变不大于临界应变值；所述临界应变值是指因外延层与衬底晶格失配形成的应变累积达到一个临界值后，外延层中就会产生位错等缺陷。

本公开实施例提供的具有斜跃迁性质的量子级联激光器的外延结构，通过高效率的有源区设计，可有效降低波导损耗，提高发光上能态寿命，以提高激光器的动态范围和输出功率。

图5示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器外延结构示意图。

如图5所示，衬底600，采用InAs单晶衬底；

有源区604，由InAs/AlSb量子阱超晶格构成；

下包层601a和上包层601b，采用外延InAs薄膜，厚度为100nm～4000nm，n型掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3，其折射率小于有源区折射率；

下超晶格波导层602a和上超晶格波导层602b，采用外延InAs/AlSb超晶格，厚度为500nm～5000nm，其折射率小于有源区折射率；

根据公开的实施例，采用下超晶格波导层602a和上超晶格波导层602b，与现有技术中采用重掺杂的InAs波导层相比，可有效降低波导损耗，因而能够改善激光器的动态范围和输出功率等性能；

下隔离层603a和上隔离层603b，采用外延InAs薄膜，厚度为500nm～4000nm，n型掺杂浓度为1×10¹⁶cm^-3～1×10¹⁷cm^-3，折射率大于有源区折射率。

图6示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器外延结构的高分辨X-射线衍射谱。

如图6所示，图谱中包含清晰的卫星峰，平均半高全宽(FWHM)为26arcsec，根据相邻卫星峰间距计算得到一个级联周期的厚度为98.5nm，与设计的100nm基本吻合，表明外延层的晶体质量较高。

图7示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器外延结构表面的原子力显微镜形貌。

如图7所示，可见量子级联激光器外延结构表面清晰的原子台阶，RMS为0.17nm，表明外延层的表明平整度较高。

本公开的实施例提供了一种量子级联激光器芯片，所述芯片包括：上述任一项所述的量子级联激光器的外延结构，其中，所述外延结构的有源区、上隔离层、上超晶格波导层和上包层形成脊型波导结构；背电极，形成于所述外延结构的衬底远离下包层的背面；介质绝缘层，形成于所述脊型波导结构的侧壁；以及表面电极，形成于所述外延结构的上包层远离上超晶格波导层的表面。

根据本公开的实施例，所述脊型波导结构的宽度为5μm～50μm。可选地，所述宽度为30μm或35μm。

根据本公开的实施例，所述介质绝缘层的厚度为50nm～1000nm。可选地，所述厚度为500nm或600nm。

根据本公开的实施例，所述介质绝缘层采用的材料是选自SiO₂、Si₃N₄、Si₃N₄/SiO₂中的一种。

根据本公开的实施例，所述表面电极采用的材料是选自Au、Ti/Au、Ti/Pt/Au中的一种。

本公开实施例提供的具有斜跃迁性质的量子级联激光器的芯片，采用

半导体材料和斜跃迁的结构，显著提高了发光上能态寿命，有利于降低有源区的损耗，从而提高激光器的动态范围和输出功率，已经实现了由所设计的具有斜跃迁能带结构的QCL产生的15微米激射。

图8示意性示出了本公开实施例的量子级联激光器芯片在不同注入电流下的激射谱。

如图8所示，激光器的激射波长位于668cm^-1附近，即14.9微米，与理论设计的15微米相符合，下面单个激射谱的凹陷处是空气中的CO₂吸收导致的。

需要说明的是，本公开的实施例给出两个有源区能带结构的设计作为非限制性示例。可以设想的是，本发明的一些实施例中，有源区具有斜跃迁能带结构，发光上能态与注入能态的相对位置和能量差可以采用相似的设计，位于发光下能态以下的弛豫区可以不采用微带形式，而是采用局域弛豫能态的形式。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (24)

1.一种具有斜跃迁性质的量子级联激光器的有源区单元，其特征在于，所述有源区单元从上往下依次包括：

注入区，用于提供注入能态；

增益区，用于提供发光上能态和发光下能态，其中，所述发光上能态大于所述发光下能态，所述发光上能态到所述发光下能态的辐射跃迁为斜跃迁，所述注入能态大于所述发光上能态；以及

弛豫区，用于提供弛豫能态，所述弛豫能态包括顶部能态和底部能态，其中，所述顶部能态小于所述发光下能态；

其中，所述注入区、增益区和弛豫区均采用

半导体材料。

2.根据权利要求1所述的有源区单元，其特征在于，所述

半导体材料选自InAs、InSb、GaSb、AlSb、InAsSb中的至少一种，或者InAs、InSb、GaSb、AlSb、InAsSb中至少两种形成的合金中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的有源区单元，其特征在于，所述注入能态与所述发光上能态的能量差为5-7meV。

4.根据权利要求1所述的有源区单元，其特征在于，所述注入能态与所述发光上能态的能量差等于一个光学声子能量。

5.根据权利要求1所述的有源区单元，其特征在于，所述弛豫能态包括微带能态或局域能态。

6.根据权利要求5所述的有源区单元，其特征在于，所述发光下能态与所述顶部能态的能量差为0-5meV。

7.根据权利要求5所述的有源区单元，其特征在于，所述发光下能态与所述顶部能态的能量差等于一个光学声子能量。

8.一种量子级联激光器的有源区，其特征在于，所述有源区包括多个串联的如权利要求1-7任一项所述的有源区单元，其中，所述串联的有源区单元中，上一个有源区单元弛豫区的底部能态大于下一个有源区单元增益区的发光上能态。

9.根据权利要求8所述的有源区，其特征在于，所述有源区中有源区单元的数目大于等于10。

10.一种量子级联激光器的外延结构，其特征在于，所述外延结构包括：

在衬底上依次生长的下包层、下超晶格波导层、下隔离层、权利要求8-9任一项所述的有源区、上隔离层、上超晶格波导层和上包层，其中，所述有源区采用

半导体材料。

11.根据权利要求10所述的外延结构，其特征在于，所述衬底采用与所述有源区材料晶格匹配的材料，选自InAs、GaSb、InSb中的一种。

12.根据权利要求11所述的外延结构，其特征在于，所述下包层和所述上包层采用与所述衬底材料晶格匹配的材料，包括二元、三元、四元化合物的半导体材料，以及窄带隙量子阱与宽带隙势垒形成的超晶格材料。

13.根据权利要求12所述的外延结构，其特征在于，所述下包层和所述上包层的掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3～5×10¹⁸cm^-3。

14.根据权利要求13所述的外延结构，其特征在于，所述下包层的厚度为100nm～4000nm，所述上包层的厚度为100nm～4000nm。

15.根据权利要求10所述的外延结构，其特征在于，所述下超晶格波导层和所述上超晶格波导层采用的材料为应变超晶格材料。

16.根据权利要求15所述的外延结构，其特征在于，所述下超晶格波导层和所述上超晶格波导层的折射率小于所述有源区。

17.根据权利要求11所述的外延结构，其特征在于，所述下隔离层和所述上隔离层采用与所述衬底材料晶格匹配的材料。

18.根据权利要求17所述的外延结构，其特征在于，所述下隔离层和所述上隔离层的折射率大于所述有源区。

19.根据权利要求18所述的外延结构，其特征在于，所述下隔离层的厚度为100nm～4000nm，所述上隔离层的厚度为100nm～4000nm。

20.一种量子级联激光器芯片，其特征在于，所述芯片包括：

权利要求10-19任一项所述的量子级联激光器的外延结构，其中，所述外延结构的有源区、上隔离层、上超晶格波导层和上包层形成脊型波导结构；

背电极，形成于所述外延结构的衬底远离下包层的背面；

介质绝缘层，形成于所述脊型波导结构的侧壁；以及

表面电极，形成于所述外延结构的上包层远离上超晶格波导层的表面。

21.根据权利要求20所述的量子级联激光器芯片，其特征在于，所述脊型波导结构的宽度为5μm～50μm。

22.根据权利要求20所述的量子级联激光器芯片，其特征在于，所述介质绝缘层的厚度为50nm～1000nm。

23.根据权利要求22所述的量子级联激光器芯片，其特征在于，所述介质绝缘层采用的材料是选自SiO₂、Si₃N₄、Si₃N₄/SiO₂中的一种。

24.根据权利要求20所述的量子级联激光器芯片，其特征在于，所述表面电极采用的材料是选自Au、Ti/Au、Ti/Pt/Au中的一种。

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